Super condensator UPS - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:16

Voor een project werd mij gevraagd om een back-up stroomsysteem te plannen dat de microcontroller ongeveer 10 seconden na het stroomverlies zou kunnen laten werken. Het idee is dat de controller gedurende deze 10 seconden voldoende tijd heeft om

• Stop met wat het ook doet
• Sla de huidige staat op in het geheugen
• Stuur het stroomuitvalbericht (IoT)
• Schakelt zichzelf in de stand-bymodus en wacht op stroomuitval

De normale werking start pas na een herstart. Er is nog wat planning nodig wat de procedure zou kunnen zijn als de stroom tijdens deze 10 seconden terugkeert. Mijn taak was echter om me te concentreren op de stroomvoorziening.

De eenvoudigste oplossing zou het gebruik van een externe UPS of iets dergelijks kunnen zijn. Dat is natuurlijk niet het geval en we hadden iets veel goedkopers en kleiners nodig. De overige oplossingen gebruiken een batterij of een supercondensator. Precies tijdens het evaluatieproces zag ik een mooie YouTube-video over een soortgelijk onderwerp: Link.

Na wat overwegingen klonk het supercondensatorcircuit als de beste oplossing voor ons. Het is iets kleiner dan de batterij (we willen veelgebruikte componenten gebruiken, hoewel ik persoonlijk niet zeker weet of de reden van de grootte echt waar is), vereist minder componenten (wat betekent - het is goedkoper) en het belangrijkste - het klinkt veel beter dan een batterij (gevolgen van het werken met niet-ingenieurs).

Er is een testopstelling gebouwd om de theorie te testen en om te controleren of de supercondensatorlaadsystemen werken zoals het hoort.

Dit Instructable laat meer zien wat er is gedaan in plaats van uit te leggen hoe het moet.

Stap 1: De systeembeschrijving

De systeemarchitectuur is te zien in de figuur. Eerst wordt de 230VAC omgezet naar 24VDC die naar 5VDC en uiteindelijk draait het circuit van de microcontroller op 3,3V. In het ideale geval zou men de stroomuitval al op netniveau (230VAC) kunnen detecteren. Helaas zijn we daar niet toe in staat. Daarom moeten we controleren of de stroom er nog is op de 24VDC. Op deze manier kan men de AC/DC-voedingsopslagcondensatoren niet gebruiken. De microcontroller en alle andere belangrijke elektronica zitten op de 3.3V. Er is besloten dat in ons geval de 5V-rail de beste plaats is om de supercondensator toe te voegen. Wanneer de condensatorspanning langzaam afneemt, kan de microcontroller nog steeds werken op 3,3V.

Vereisten:

• Constante stroom – Iconst = 0,5 A (@ 5,0V)
• Minimale spanning (min. toegestane spanning @ 5V rail) - Vend = 3,0V
• Minimale tijd die de condensator moet afleggen – T = 10 sec

Er zijn verschillende speciale supercondensator-oplaad-IC's beschikbaar die de condensator zeer snel kunnen opladen. In ons geval is de oplaadtijd niet kritisch. Een eenvoudigste diode-weerstandschakeling is dus voldoende. Deze schakeling is eenvoudig en goedkoop met enkele nadelen. Het probleem met de oplaadtijd werd al genoemd. Het belangrijkste nadeel is echter dat de condensator niet tot zijn volledige spanning wordt opgeladen (diodespanningsval). Desalniettemin kan de lagere spanning ons ook enkele positieve kanten brengen.

In de Supercondensator verwachte levensduurcurve van de AVX SCM-serie datasheet (link) figuur kan men de verwachte levensduur versus bedrijfstemperatuur en de aangelegde spanning zien. Als de condensator een lagere spanningswaarde heeft, neemt de verwachte levensduur toe. Dat zou gunstig kunnen zijn omdat een condensator met een lagere spanning zou kunnen worden gebruikt. Dat moet nog uitgeklaard worden.

Zoals in de metingen zal worden getoond, zal de bedrijfsspanning van de condensator ongeveer 4,6 V - 4,7 V - 80% V-rated zijn.

Stap 2: Testcircuit

Na enige evaluatie zijn AVX-supercondensatoren gekozen om te testen. De geteste zijn geschikt voor 6V. Dat komt eigenlijk te dicht in de buurt van de waarde die we van plan zijn te gebruiken. Voor testdoeleinden is het echter voldoende. Er werden drie verschillende capaciteitswaarden getest: 1F, 2.5F en 5F (2x 2.5F parallel). De classificatie van de condensatoren volgt:

• Capaciteitsnauwkeurigheid - 0% +100%
• Nominale spanning – 6V

• Fabrikant onderdeelnr –

  • 1F – SCMR18H105PRBB0
  • 2.5F – SCMS22H255PRBB0
• Levensduur – 2000 uur @ 65°C

Om de uitgangsspanning af te stemmen op de condensatorspanning worden minimale voorwaartse spanningsdiodes gebruikt. In de test worden VdiodeF2 = 0.22V-diodes geïmplementeerd samen met hoogstroomdiodes met VdiodeF1 = 0.5V.

Eenvoudige LM2596 DC-DC converter IC wordt gebruikt. Dat is een zeer robuust IC en maakt flexibiliteit mogelijk. Voor het testen waren verschillende belastingen gepland: voornamelijk verschillende ohmse belasting.

De twee parallelle 3.09kΩ-weerstanden parallel aan de supercondensator zijn nodig voor de spanningsstabiliteit. In het testcircuit zijn de supercondensatoren aangesloten via schakelaars en als geen van de condensatoren is aangesloten, kan de spanning te hoog zijn. Om de condensatoren te beschermen is er parallel een 5.1V Zenerdiode geplaatst.

Voor de belasting leveren de 8,1 kΩ-weerstand en de LED enige belasting. Er werd opgemerkt dat de spanning in onbelaste toestand hoger kon worden dan gewenst. De diodes kunnen onverwacht gedrag veroorzaken.

Stap 3: Theoretische berekeningen

Veronderstellingen:

• Constante stroom – Iconst = 0,5A
• Vout @ stroomuitval – Vout = 5,0V
• Laadspanning condensator vóór diodes - Vin55 = Vout + VdiodeF1 = 5.0 + 0.5 = 5.5V
• Startspanning (Vcap @ stroomuitval) – Vcap = Vin55 - VdiodeF1 - VdiodeF2 = 5,5 - 0,5 - 0,22 = 4,7 V
• Vout @ stroomuitval – Vstart = Vcap - VdiodeF2 = 4,7 - 0,22 = 4,4V
• Minimum Vcap – Vcap_min = Verkoop VdiodeF2 = 3.0 + 0.22 = 3.3V
• Minimale tijd die de condensator moet afleggen – T = 10 sec

Tijd om een condensator op te laden (theoretisch): Topladen = 5*R*C

R = Rcharge + RcapacitorSeries + Rsw + Rdiodes + Rconnections

Voor 1F-condensator is het R1F = 25,5 + 0,72 + 0,2 +? +? = 27ohm

Als C=1,0F, Topladen = 135 sec = 2,5 minuten

Als C=2.5F, Topladen = 337 sec = 5,7 minuten

Als C=5.0F, Tladen = 675 sec = 11 minuten

Uit de aannames kunnen we aannemen dat het constante vermogen ongeveer is: W = I * V = 2,5 W

In een condensator kan men een bepaalde hoeveelheid energie opslaan: W = 0,5 * C * V^2

Uit deze formule kan de capaciteit worden berekend:

• Ik wil x Watts tekenen voor t Seconden, hoeveel capaciteit heb ik nodig (Link)?C = 2*T*W/(Vstart^2 - Vend^2) = 5.9F
• Ik wil x Ampère tekenen voor t Seconden, hoeveel capaciteit heb ik nodig? C = I*T/(Vstart-Vend) = 4.55F

Als we de condensatorwaarde kiezen als 5F:

• Hoe lang duurt het om deze condensator op te laden/ontladen met een constante stroom (Link)?Tdischarge = C*(Vstart-Vend)/I = 11,0 sec
• Hoe lang duurt het om deze condensator op te laden/ontladen met een constant vermogen (W)? Tdischarge = 0,5*C*(Vstart^2-Vend^2)/W = 8,47 sec

Bij gebruik van een Rcharge = 25ohm zou de laadstroom zijn

En de oplaadtijd ongeveer: Topladen = 625 sec = 10,5 minuten

Stap 4: Praktische metingen

Verschillende configuraties en capaciteitswaarden werden getest. Om het testen te vereenvoudigen is er een Arduino gestuurde testopstelling gebouwd. De schema's zijn weergegeven in de vorige afbeeldingen.

Er zijn drie verschillende spanningen gemeten en de resultaten passen relatief goed bij de theorie. Aangezien de belastingsstromen veel lager zijn dan de nominale waarde van de diode, is de voorwaartse spanningsval iets lager. Desalniettemin, zoals te zien is, komt de gemeten supercondensatorspanning exact overeen met de theoretische berekeningen.

In de volgende afbeelding ziet u een typische meting met een condensator van 2,5 F. De oplaadtijd past goed bij de theoretische waarde van 340sec. Na 100 extra seconden is de condensatorspanning nog slechts 0,03 V gestegen, wat betekent dat het verschil verwaarloosbaar is en in het meetfoutbereik ligt.

Op de andere figuur kan men zien dat na de stroomuitval de uitgangsspanning Vout VdiodeF2 kleiner is dan de condensatorspanning Vcap. Het verschil is dV = 0,23V = VdiodeF2 = 0,22V.

Een overzicht van de gemeten tijden is te zien in de bijgevoegde tabel. Zoals te zien is, sluiten de resultaten niet exact aan bij de theoretische berekeningen. De gemeten tijden zijn meestal beter dan de berekende, wat betekent dat sommige resulterende parasieten niet in de berekeningen werden meegenomen. Bij het bekijken van de gebouwde schakeling kan men zien dat er verschillende niet goed gedefinieerde aansluitpunten zijn. Bovendien houden de berekeningen geen goed rekening met het belastingsgedrag - wanneer de spanning daalt, daalt de stroom. Desalniettemin zijn de resultaten veelbelovend en vallen ze binnen het verwachte bereik.

Stap 5: Enkele verbetermogelijkheden

Men zou de bedrijfstijd kunnen verbeteren als men een boost-converter gebruikt in plaats van de diode na de supercondensator. We hebben overwogen dat de prijs niettemin hoger is dan een eenvoudige diode.

Het opladen van de supercondensator via een diode (in mijn geval twee diodes) betekent spanningsval en dat zou kunnen worden verwijderd als een speciaal condensatorlaad-IC wordt gebruikt. Nogmaals, de prijs is de belangrijkste zorg.

Als alternatief kunnen een hoge zijschakelaar worden gebruikt in combinatie met een PNP-schakelaar. Een snel doordachte mogelijke oplossing is te zien in het volgende. Alle schakelaars worden aangestuurd via een zenerdiode die wordt gevoed door een 24V-ingang. Als de ingangsspanning onder de diode-zenerspanning daalt, wordt de PNP-schakelaar AAN en worden de andere hoge-zijschakelaars UITgeschakeld. Deze schakeling is niet getest en heeft hoogstwaarschijnlijk nog wat extra (passieve) componenten nodig.

Stap 6: Conclusie

De metingen passen redelijk goed bij de berekeningen. Aantonen dat de theoretische berekeningen kunnen worden gebruikt - verrassing-verrassing. In ons speciale geval is er weinig meer dan 2,5F condensator nodig om voldoende energie te leveren voor de gegeven tijdsperiode.

Het belangrijkste is dat het condensatorlaadcircuit werkt zoals verwacht. De schakeling is eenvoudig, goedkoop en voldoende. Er zijn enkele genoemde nadelen, maar de lage prijs en eenvoud compenseert dat.

Hopelijk kan deze kleine samenvatting voor iemand nuttig zijn.